Bánh mì mới nướng chỉ sau vài ngày đã lên mốc, nhưng mật ong dù để mở nắp cũng hiếm khi hư hỏng. Mật ong cũng chứa gần 20% nước, vậy tại sao vi sinh vật không thể phát triển trong mật ong? Chìa khóa giải thích sự khác biệt này nằm ở “trạng thái” của nước chứ không phải “lượng” nước, và chỉ số biểu thị điều đó chính là “hoạt độ nước (Water Activity)”.
Nói đơn giản, hoạt độ nước là “giá trị cho biết trong lượng nước có trong thực phẩm, có bao nhiêu nước tự do mà vi sinh vật hoặc các phản ứng hóa học thực sự có thể sử dụng”. Đây là tiêu chí cốt lõi để đánh giá thời gian bảo quản và độ an toàn của thực phẩm, được sử dụng rộng rãi trong khoa học thực phẩm và dinh dưỡng cũng như ngành công nghiệp thực phẩm.
Tài liệu này trình bày một cách dễ hiểu từ khái niệm và nguyên lý đo hoạt độ nước đến ngưỡng phát triển của vi sinh vật, các phương pháp bảo quản truyền thống và hiện đại giúp giảm hoạt độ nước, cùng cách ứng dụng để giữ gìn chất lượng thực phẩm.
Nguyên lý hoạt độ nước và bảo quản thực phẩm
Hoạt độ nước là gì?
Nước trong thực phẩm không phải đều giống nhau. Một phần nước bị giữ chặt bởi các thành phần như protein hay carbohydrate, còn một phần khác chuyển động tương đối tự do. Nước được sử dụng khi vi sinh vật phát triển hoặc phản ứng hóa học diễn ra chủ yếu là phần nước chuyển động tự do.
- Nước liên kết (Bound Water): Là nước liên kết chặt với các thành phần thực phẩm, khiến vi sinh vật khó sử dụng.
- Nước tự do (Free Water): Là nước chuyển động tự do giữa các thành phần và có thể được vi sinh vật sử dụng cũng như tham gia các phản ứng.
Hoạt độ nước là giá trị thu được khi chia áp suất hơi nước của thực phẩm cho áp suất hơi nước của nước tinh khiết ở cùng nhiệt độ. Biểu diễn bằng công thức là aw = p / p0; nước tinh khiết có giá trị 1.0, còn trạng thái hoàn toàn không có nước có giá trị 0. Càng có nhiều muối hoặc đường hòa tan, nước càng bị giữ lại và hoạt độ nước càng giảm. Ngày nay, người ta đặt mẫu vào một bình kín rồi đo độ ẩm tương đối của không khí phía trên mẫu để xác định hoạt độ nước chỉ trong vài phút. Đó là vì hoạt độ nước nhân với 100 bằng “độ ẩm tương đối cân bằng (Equilibrium Relative Humidity)”.
Khái niệm này trở thành một tiêu chí về an toàn thực phẩm nhờ nhà vi sinh vật học người Úc William James Scott. Vào thập niên 1950, ông đã làm sáng tỏ rằng yếu tố chi phối sự phát triển của vi sinh vật là hoạt độ nước chứ không phải hàm lượng nước.
Ngưỡng phát triển của vi sinh vật
Mỗi loại vi sinh vật có một ngưỡng hoạt độ nước tối thiểu khác nhau để tồn tại. Nếu hạ hoạt độ nước xuống dưới ngưỡng này, vi sinh vật dù hiện diện cũng không thể sinh sôi.
(1) Vi khuẩn: Từ khoảng 0.91 trở lên
Phần lớn vi khuẩn khó phát triển khi hoạt độ nước dưới 0.91. Tuy nhiên, tụ cầu vàng, loại vi khuẩn gây ngộ độc thực phẩm, là một ngoại lệ có thể chịu được mức thấp đến khoảng 0.86 trong điều kiện có oxy.
(2) Nấm men: Từ khoảng 0.88 trở lên
Nhiều loại nấm men có thể phát triển ở mức thấp đến khoảng 0.88. Một số loại nấm men thích nghi với môi trường có hàm lượng đường rất cao còn sống sót được ở mức thấp hơn nhiều.
(3) Nấm mốc: Từ khoảng 0.80 trở lên
Nấm mốc chịu được môi trường khô tốt hơn vi khuẩn, và nhiều loại có thể phát triển ở mức thấp đến khoảng 0.80. Một số loại nấm mốc đặc biệt chịu khô còn có thể phát triển ở mức quanh 0.61.
(4) Dưới 0.60: Sa mạc của vi sinh vật
Khi hoạt độ nước thấp hơn 0.60, hầu như không vi sinh vật nào có thể sinh sôi. Đây là lý do bánh ăn vặt hoặc sữa bột được đóng kín có thể bảo quản lâu.
Để tham khảo, thịt, rau và trái cây tươi thường có hoạt độ nước từ 0.95 trở lên nên dễ hư hỏng, mứt có giá trị quanh 0.80, còn mật ong có giá trị rất thấp, từ 0.5 đến 0.6.
Kinh nghiệm bảo quản bằng cách giảm hoạt độ nước
Từ rất lâu trước khi biết đến tên gọi hoạt độ nước, con người đã vận dụng nguyên lý này để bảo quản thức ăn.
- Làm khô (Drying): Phơi dưới nắng và gió để giảm chính lượng nước có trong thực phẩm. Hồng khô, cá minh thái khô và rau khô là những ví dụ tiêu biểu.
- Ướp muối (Salting): Dùng muối giữ nước lại để giảm lượng nước tự do. Hải sản muối lên men và cá đù vàng muối khô được bảo quản lâu nhờ nguyên lý này.
- Ướp đường (Sugaring): Thêm nhiều đường để tạo hiệu quả tương tự. Mứt, trái cây ngâm đường và thạch đậu ngọt yanggaeng thuộc nhóm này.
- Đông lạnh (Freezing): Khi nước trở thành băng, lượng nước mà vi sinh vật có thể sử dụng giảm đáng kể.
Ngành công nghiệp thực phẩm hiện đại đã tiến thêm một bước từ đây. “Công nghệ rào cản (Hurdle Technology)”, được nhà khoa học thực phẩm người Đức Lothar Leistner hệ thống hóa, là phương pháp ngăn chặn vi sinh vật bằng cách kết hợp nhiều rào cản ở mức độ vừa phải, như hoạt độ nước, độ axit, nhiệt độ và chất bảo quản. Vì không cần thay đổi một điều kiện nào đến mức cực đoan, phương pháp này có thể giữ hương vị và kết cấu thực phẩm tốt hơn.
Giữ gìn chất lượng thực phẩm bằng hoạt độ nước
Hoạt độ nước không chỉ ảnh hưởng đến vi sinh vật mà còn tác động lớn đến hương vị và kết cấu của thực phẩm.
(1) Độ giòn và tình trạng ỉu mềm
Bánh ăn vặt hay rong biển khô giòn khi hoạt độ nước thấp, nhưng sẽ nhanh chóng bị ỉu khi hút hơi ẩm trong không khí khiến hoạt độ nước tăng lên. Đó là lý do cần đóng kín bánh ăn vặt sau khi mở.
(2) Tốc độ phản ứng hóa học
Tốc độ của phản ứng hóa nâu khiến thực phẩm chuyển sang màu nâu hay phản ứng gây ôi chất béo cũng thay đổi theo hoạt độ nước. Vào đầu thập niên 1970, nhà khoa học thực phẩm người Mỹ Theodore Labuza đã tổng hợp những mối quan hệ này trong một biểu đồ, được gọi là “bản đồ độ ổn định thực phẩm (Food Stability Map)”. Theo bản đồ này, phản ứng hóa nâu diễn ra nhanh nhất ở hoạt độ nước trung bình, còn quá trình oxy hóa chất béo đôi khi lại diễn ra nhanh hơn khi quá khô. Vì vậy, các công ty thực phẩm xác định hoạt độ nước phù hợp cho từng sản phẩm để kiểm soát chất lượng.
(3) Những lưu ý khi trộn thực phẩm
Khi đặt các thực phẩm có hoạt độ nước khác nhau vào cùng một vật chứa, nước sẽ di chuyển từ phía có hoạt độ nước cao sang phía có hoạt độ nước thấp. Hiện tượng trái cây trở nên cứng còn ngũ cốc bị ỉu khi trộn trái cây khô vào ngũ cốc là một ví dụ.
Hoạt độ nước cho thấy “nước tự do đến mức nào” quan trọng hơn “có bao nhiêu nước”. Kinh nghiệm bảo quản lâu đời thể hiện trong mật ong, hải sản muối lên men và hồng khô rốt cuộc cũng có thể được giải thích bằng nguyên lý duy nhất này.
Hiểu đặc tính của nước trong thực phẩm và kiểm soát phù hợp chính là bước đầu tiên để có những bữa ăn an toàn và ngon miệng.
